CN103566675B

CN103566675B - 一种适用于燃料电池系统的阴极空气过滤器

Info

Publication number: CN103566675B
Application number: CN201310422533.4A
Authority: CN
Inventors: 吕洪; 马建新; 许潇; 周伟; 张存满; 郝传璞
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-09-16
Also published as: CN103566675A

Abstract

一种适用于燃料电池的空气过滤器，包括可拆卸式结构的过滤器外壳、位于过滤器外壳上的进气口与出气口、位于过滤器外壳中的内部滤芯，内部滤芯包括物理过滤部分以及化学过滤部分，物理过滤部分用于过滤颗粒物，化学过滤部分包括位于化学过滤部分入口段的列管式滤芯、位于中间段的整体式滤芯以及位于出口段的多孔板，列管式滤芯包括多个填充有化学吸附介质的列管，多个列管径向排布，多个列管与多孔板上的开孔交错分布。本发明所示的空气过滤器通过独特的列管和多孔板组合设计使滤芯内气体流动均匀，化学吸附介质被利用充分，吸附效率高，而且结构紧凑，适用于燃料电池系统使用。

Description

一种适用于燃料电池系统的阴极空气过滤器

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种适用于燃料电池系统的空气过滤器。

背景技术

能源危机及环境污染问题的日益加剧，特别是近年来各国对温室效应造成全球气候变暖的重视，发展低碳经济已经势在必行。就汽车行业而言，开发清洁、高效的燃料电池汽车并进行商业化推广早已被各国政府及各大汽车厂商提上日程。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）大都采用空气作为氧化剂，空气中的污染物（如固态颗粒物、CO、C_mH_n、NO_x、SO₂和H₂S等）会对PEMFC的性能造成不良影响，甚至可能造成PEMFC运行中断。

为了消除空气中有害气体对于燃料电池耐久性的影响，目前一种行之有效的方法是在燃料电池阴极加装具有化学吸附功能的空气过滤器，不仅可以过滤颗粒物，还可以有效吸附空气中的污染物。

中国专利CN101079489A采用自主研发的具有良好性能的化学吸附材料以及整体式吸附剂与空气通道交替排列结构（11、12），化学吸附效率高，同时采用憎水性膜（4）有效滤除空气（如海边潮湿的空气）中的水分，并能很方便地将整体式吸附剂从支撑构架（5）内取出，进行活化处理或者更换吸附剂。但过滤器的结构较复杂，空气阻力较大。

同济大学的最新燃料电池空气过滤器中国专利CN102423581A设计了一种适用于5kW燃料电池堆的空气过滤器。通过加装导流板分流气体，不仅提高了空气过滤效果，同时还具备消声功能。改进后的结构主要分为物理过滤部分14、化学过滤部分15以及锥形出口16三部分。物理过滤部分包括第一外壳17、物理过滤滤芯18及第一法兰19。化学过滤部分包括第二法兰20、化学过滤滤芯21、导流板22及第二外壳23。空气先通过物理过滤滤芯18过滤空气中的固体颗粒杂质，再经过化学过滤滤芯21过滤空气中的化学吸附杂质，最后气体通过锥形出口16进入鼓风机。但是该滤器结构不够紧凑，所占安装空间大；另外，过滤器装配困难，不利于滤芯的更换。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于燃料电池系统的阴极空气过滤器，整体压力损失小、化学吸附效率高、具有一定消声作用，并且结构更加紧凑的适用于燃料电池系统的空气过滤器。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种适用于燃料电池的空气过滤器，包括可拆卸式结构的过滤器外壳、位于所述过滤器外壳中的内部滤芯、位于所述过滤器外壳上的进气口与出气口，所述进气口、内部滤芯以及出气口沿进气方向依次排列，所述内部滤芯包括物理过滤部分以及化学过滤部分，所述物理过滤部分用于过滤颗粒物，所述化学过滤部分包括位于化学过滤部分入口段的列管式滤芯、位于化学过滤部分中间段的整体式滤芯以及位于化学过滤部分出口段的多孔板，所述列管式滤芯包括多个填充有化学吸附介质的列管，所述多个列管多层环状排布，所述多孔板上设有多层环状排布的开孔，所述多个列管与所述多孔板上的开孔交错设置。

所述每个列管为倒锥形列管，所述列管的出口端直径大于进气端直径；

优选的，所述倒锥形列管锥角的角度范围为5°～10°。

所述化学过滤部分为整体式结构，所述列管式滤芯还包括用于布置所述列管的圆盘，所述多孔板为多孔的壳体的构件，所述圆盘与所述多孔板可拆卸连接，所述整体式滤芯位于所述列管式滤芯与所述多孔板组成的空间中；

优选的，所述圆盘的盘壁上设有多组凹槽，所述多孔板的环状壁面对应留有凸起，两者经由环状设置的凹槽与凸起连接。

所述化学过滤部分中，所述整体式滤芯以及所述化学吸附介质的制作材料为多孔性、大比表面积材料；

优选的，所述多孔性、大比表面积材料为吸活性炭、活性氧化铝、分子筛、气凝胶、离子交换树脂、离子交换纤维中的一种或一种以上的组合；

进一步优选的，所述整体式滤芯的制作材料为经氮化、氨化、KOH、柠檬酸、氧化铜、氧化铈化学改性修饰的活性炭；

进一步的，所述整体式滤芯以及所述化学吸附介质外部还包裹一层无纺布。

所述物理过滤部分包括粘贴于所述列管式滤芯前端的无纺布以及位于多孔板内侧的高效粉尘过滤膜。

所述高效粉尘过滤膜为驻极体材料，以滤除滤芯部分因气流冲刷可能带出的任何固体颗粒及粉尘；

优选的，所述驻极体材料为聚丙稀、聚四氟乙烯、环烯聚、六氟丙稀－聚四氟乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯或聚酯。

所述过滤器的进气口为相向对称设置的双开口。

所述过滤器外壳包括上壳体以及下壳体，所述上下壳体活动连接，所述过滤器的双开口进气口设置在上壳体的侧面位置；

优选的，所述上壳体沿圆周向90度间隔开有四个凹槽，所述下壳体对应所述凹槽在连接处相应的设有四个凸缘，所述凸缘夹紧在凹槽内并旋转一定角度，以使得所述上、下壳体紧固连接；

进一步优选的，所述上壳体与所示下壳体的连接处设有密封圈。

所述过滤器外壳的制作材料为铝合金、不锈钢、塑料的一种或一种以上的组合。

所述圆盘的制作材料为成型活性炭、铝合金、不锈钢、塑料的一种。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

1、独特的列管和多孔板组合设计使滤芯内气体流动均匀，化学吸附介质被利用充分，吸附效率高；

2、独特的进气方式、以及锥形列管设计使过过滤器的整体压降小，同时具有消声功能；

3、模块化的滤芯设计，便于过滤器滤芯的更换。

附图说明

图1是专利CN101079489A的燃料电池空气过滤器示意图；

图2是专利CN102423581A的燃料电池空气过滤器示意图；

图3是本发明的一实施例的燃料电池空气过滤器的三维截面图；

图4是图3所示实施例中燃料电池空气过滤器的外形结构图；

图5是图3所示实施例中燃料电池空气过滤器的气体流向示意图；

图6是图3所示实施例中燃料电池空气过滤器列管式滤芯正视剖面图；

图7是图6所示实施例中燃料电池空气过滤器列管式滤芯的仰视图；

图8是图3所示实施例中燃料电池空气过滤器多孔板正视剖面图；

图9是图8所示实施例中燃料电池空气过滤器多孔板的仰视图；

图10是图3所示实施例中燃料电池空气过滤器Fluent仿真SO₂穿透曲线图；

其中，上壳体27、进气口28、内部滤芯29、列管30、第一凹槽31、多孔板32、下壳体33、出气口34、凸缘35、列管式滤芯36、整体式滤芯37、第二凹槽40、环状壁面41。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图3至图5所示，本发明公开了一种适用于燃料电池的阴极空气过滤器，包括可拆卸结构的过滤器外壳、位于过滤器外壳上的进气口28与出气口34、位于过滤器外壳中的内部滤芯29，进气口28、内部滤芯29以及出气口34沿进气方向依次分布，使得气体从进气口28进入后，能够经由内部滤芯29有效过滤后在通过出气口34排出。内部滤芯29包括位于内部滤芯29前部的物理过滤部分以及位于内部滤芯29后部的化学过滤部分，期中，物理过滤部分用于过滤颗粒物，化学过滤部分包括位于化学过滤部分入口段的列管式滤芯36、位于中间段的整体式滤芯37以及位于出口段的多孔板32，列管式滤芯36包括多个填充有化学吸附介质的列管30以及用于安放列管30的圆盘，多个列管30径向排布，呈环状多层排布，且列管30与多孔板32上的开孔交错分布，从而使气流在整个滤芯的化学吸附区域分布均匀，尽可能减小吸附死区。

为确保过滤器内气体流动均匀、减小流动阻力以及提高吸附效率，本发明通过三个方面进行改进。

首先，内部滤芯29由物理过滤部分和化学过滤部分组成，物理过滤部分位于化学过滤部分的前端，物理过滤依靠粘贴与列管滤芯前端的无纺布以及位于出气口34侧多孔板内的高效粉尘过滤膜，确保过滤除去半径大于2.5微米的颗粒物。本实施例中，高效粉尘过滤膜为驻极体材料，可为聚丙稀、聚四氟乙烯、环烯聚、六氟丙稀－聚四氟乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚酯，以滤除滤芯部分因气流冲刷可能带出的任何固体颗粒及粉尘。

化学过滤部分为整体式结构，列管30布置在圆盘上，多孔板32为多孔的壳体的构件，圆盘与多孔板32可拆卸连接，整体式滤芯37位于列管式滤芯36与多孔板32组成的空间中。这样当模块化的滤芯设计，便于内部滤芯29的更换。本实施例中，圆盘的制作材料为成型活性炭、铝合金、不锈钢、塑料的一种，圆盘的盘壁上设有多组凹槽，多孔板32的环状壁面对应凹槽留有凸起，两者通过环状设置的凹槽与凸起卡接连接。如图6所示，圆盘上开有第二凹槽40，深度2mm，如图9所示，对应圆盘上的第二凹槽40，多孔板32的环状壁面41留有2mm盈余，可插入第二凹槽40内实现圆盘与多孔板32的紧固连接。

同时，位于化学过滤部分入口段的列管滤芯包括径向规则排布的列管30，列管30中内填充化学吸附介质，列管30与多孔板32上的开孔交错分布。如图8所示，多孔板32的开口同样呈环状排布，多孔板32上开孔圆心与列管开口圆心相互交错，从而有助于气流在整个化学吸附区域分布均匀，尽可能减小吸附死区。

此外，为提高内部滤芯29的吸附量以及去除空气中不同性质的有害气体，整体式滤芯37与化学吸附介质采用活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、分子筛、气凝胶、离子交换树脂、离子交换纤维等多孔性、大比表面积材料中的一种或一种以上，并进行氮化、氨化处理、KOH、柠檬酸、氧化铜、氧化铈等化学改性修饰，以去除空气中微量的SO₂，NH₃、NO_x和C_mH_n等有害气体。本实施例中，列管30中填充的化学吸附介质为无纺布包裹的且经化学改性修饰的活性炭，厚度为30m。

其次，列管30采用倒锥形结构，列管30的出口端直径大于进气端直径，锥度范围为5°至10°不等，起到抑制噪声及气流平滑过渡的作用。图6和图7分别是本发明的燃料电池空气过滤器列管式滤芯36正视剖面图及仰视图。列管30环状排布，圆盘直径为20mm，列管30呈锥形，锥度5°至10°不等，长度为10mm。随着环形直径的增大，相应的列管30排布数量也增多，整个圆盘的开孔率近50%。

本发明所示的内部滤芯29结构，当不设置整体式滤芯37时，列管式滤芯36和后多孔板32形成一个扩张室，同时，由于列管30为倒锥形设计，因此，该扩张室和多孔板对噪声都有很好抑制作用。

最后，过滤器进气口28为对称开口的进气口，以减缓进入过滤器的气流波动。本实施例中，可拆卸结构的过滤器外壳包括上壳体27和下壳体33，过滤器外壳的制作材料为铝合金、不锈钢、塑料的一种或一种以上的组合。对称开口的进气口28设置在上壳体27上，出气口34设置在下壳体33上，上下壳体之间可拆卸连接，便于拆装更换滤芯。且上壳体27与所示下壳体33之间设有密封圈。图4所示为本发明一个实例的空气过滤器外部结构图。上壳体27圆周向90度间隔开有四个凹槽31，而下壳体33在连接处相应的设有四个凸缘35，通过把凸缘35夹紧在第一凹槽31内并旋转一定角度，使过滤器上下外壳连接紧固。这种装配方式拆装简易，操作起来简单可靠。

以下结合针对7kW燃料电池系统设计的阴极空气过滤器结构对本发明的工作原理进行说明。

过滤器外壳由铝合金制作而成；用于去除空气中固体颗粒物的物理过滤部分可使用无纺布材料；粉尘高效过滤网采用极化的聚四氟乙烯膜；化学吸附介质采用大比表面积颗粒活性炭；整体式滤芯37采用的是浸渍KOH和柠檬酸活化改性后的颗粒状活性炭，并通过无纺布袋式填充包裹，用以去除空气中的主要杂质气体SO₂、NOx、HN₃和H₂S等。

如图5所示，含有颗粒污染物和化学污染物的空气从过滤器上壳体27上两个180度对称的入口28进入过滤器内部，先通过列管式滤芯36，无纺布置于滤芯外层，首先起到物理过滤的作用，滤除掉颗粒污染物。列管30内填充活性炭作为化学吸附滤芯，可以吸附空气中的有害气体。随后空气由列管30进入整体式滤芯37的化学吸附区域，整体式滤芯37填充了活性炭作为化学吸附介质，活性炭外部包裹无纺布，用以滤除空气中的杂质气体。多孔板32前放置一层极化的聚四氟乙烯膜，用于过滤经气流冲涮可能产生的活性炭微细颗粒，最后洁净空气由多孔板32穿过滤芯，从出口34流出过滤器，由压缩机或鼓风机将其送入燃料电池系统。

图10为通过Fluent仿真所得的SO₂穿透曲线图。经试验，该过滤器在空气中SO₂浓度达到0.175PPm条件下，可以使用1500小时才失效。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域的技术人员显然可以较容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴可做出相应的改进和修改，这都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：包括可拆卸式结构的过滤器外壳、位于所述过滤器外壳中的内部滤芯、位于所述过滤器外壳上的进气口与出气口，所述进气口、内部滤芯以及出气口沿进气方向依次排列，所述内部滤芯包括物理过滤部分以及化学过滤部分，所述物理过滤部分用于过滤颗粒物，所述化学过滤部分包括位于化学过滤部分入口段的列管式滤芯、位于化学过滤部分中间段的整体式滤芯以及位于化学过滤部分出口段的多孔板，所述列管式滤芯包括多个填充有化学吸附介质的列管，多个所述列管多层环状排布，所述多孔板上设有多层环状排布的开孔，多个所述列管与所述多孔板上的开孔交错设置。

2.根据权利要求1所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：每个所述列管为倒锥形列管，所述列管的出口端直径大于进气端直径。

3.根据权利要求2所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述倒锥形列管锥角的角度范围为5°～10°。

4.根据权利要求1所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述化学过滤部分为整体式结构，所述列管式滤芯还包括用于布置所述列管的圆盘，所述多孔板为多孔的壳体的构件，所述圆盘与所述多孔板可拆卸连接，所述整体式滤芯位于所述列管式滤芯与所述多孔板组成的空间中。

5.根据权利要求4所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述圆盘的盘壁上设有多组凹槽，所述多孔板的环状壁面对应留有凸起，两者经由环状设置的凹槽与凸起连接。

6.根据权利要求1所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述化学过滤部分中，所述整体式滤芯以及所述化学吸附介质的制作材料为多孔性、大比表面积材料。

7.根据权利要求6所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述多孔性、大比表面积材料为活性炭、活性氧化铝、气凝胶、离子交换树脂、离子交换纤维中的一种或一种以上的组合。

8.根据权利要求7所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述整体式滤芯的制作材料为经KOH、柠檬酸、氧化铜、或氧化铈化学改性修饰的活性炭。

9.根据权利要求8所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述整体式滤芯以及所述化学吸附介质外部还包裹一层无纺布。

10.根据权利要求1所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述物理过滤部分包括粘贴于所述列管式滤芯前端的无纺布以及位于多孔板内侧的确保过滤除去半径大于2.5微米的颗粒物的粉尘过滤膜。

11.根据权利要求10所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述粉尘过滤膜为驻极体材料，以滤除滤芯部分因气流冲刷可能带出的任何固体颗粒及粉尘。

12.根据权利要求11所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述驻极体材料为聚丙稀、聚四氟乙烯、六氟丙稀－聚四氟乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯或聚酯。

13.根据权利要求1所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述过滤器的进气口为相向对称设置的双开口。

14.根据权利要求13所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述过滤器外壳包括上壳体以及下壳体，所述上壳体与所述下壳体活动连接，所述过滤器的双开口进气口设置在上壳体的侧面位置。

15.根据权利要求14所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述上壳体沿圆周向90度间隔开有四个凹槽，所述下壳体对应所述凹槽在连接处相应的设有四个凸缘，所述凸缘夹紧在凹槽内并旋转一定角度，以使得所述上、下壳体紧固连接。

16.根据权利要求15所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述上壳体与所示下壳体的连接处设有密封圈。

17.根据权利要求1所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述过滤器外壳的制作材料为铝合金、不锈钢、塑料的一种或一种以上的组合。

18.根据权利要求4所述的适用于燃料电池的空气过滤器，其特征在于：所述圆盘的制作材料为成型活性炭、铝合金、不锈钢、塑料的一种。